Plutonijum je otkriven krajem 1940. godine na Kalifornijskom univerzitetu. Sintetizirali su ga McMillan, Kennedy i Wahl bombardiranjem oksida uranijuma (U 3 O 8) s jezgrima deuterijuma (deuteroni) visoko ubrzanim u ciklotronu. Kasnije je otkriveno da ova nuklearna reakcija najprije proizvodi kratkotrajni izotop neptunij-238, a iz njega plutonij-238 s vremenom poluraspada od oko 50 godina. Godinu dana kasnije, Kennedy, Seaborg, Segre i Wahl sintetizirali su važniji izotop, plutonijum-239, zračenjem uranijuma visoko ubrzanim neutronima u ciklotronu. Plutonijum-239 nastaje raspadom neptunija-239; emituje alfa zrake i ima poluživot od 24.000 godina. Čisto jedinjenje plutonijuma je prvi put dobijeno 1942. Tada je postalo poznato da se prirodni plutonijum nalazi u rudama uranijuma, posebno u rudama deponovanim u Kongu.

Ime elementa predloženo je 1948. godine: McMillan je prvi transuranski element nazvao neptunijumom zbog činjenice da je planeta Neptun prva iza Urana. Po analogiji, odlučili su da element 94 nazovu plutonijumom, budući da je planeta Pluton druga nakon Urana. Pluton, otkriven 1930. godine, dobio je ime po imenu boga Plutona, vladara podzemnog svijeta u grčkoj mitologiji. Početkom 19. vijeka. Clark je predložio da se element barijum nazove plutonijumom, izvodeći ovo ime direktno iz imena boga Plutona, ali njegov prijedlog nije prihvaćen.

hemija

Plutonijum Pu - element br. 94 povezan je sa veoma velikim nadama i velikim strahovima čovečanstva. Danas je to jedan od najvažnijih, strateški važnih elemenata. To je najskuplji od tehnički važnih metala - mnogo je skuplji od srebra, zlata i platine. On je zaista dragocen.


Pozadina i istorija

U početku su postojali protoni - galaktički vodonik. Kao rezultat njegove kompresije i naknadnih nuklearnih reakcija, formirani su najnevjerovatniji "ingoti" nukleona. Među njima, ovim "ingotima", očigledno je bilo onih koji sadrže 94 protona. Procjene teoretičara sugeriraju da je oko 100 nukleonskih formacija, koje uključuju 94 protona i od 107 do 206 neutrona, toliko stabilne da se mogu smatrati jezgrima izotopa elementa br. 94.
Ali svi ovi izotopi - hipotetički i stvarni - nisu toliko stabilni da prežive do danas od nastanka elemenata Sunčevog sistema. Poluživot najdugovječnijeg izotopa elementa br. 94 je 81 milion godina. Starost Galaksije mjeri se milijardama godina. Shodno tome, "primordijalni" plutonijum nije imao šanse da preživi do danas. Ako je nastao tokom velike sinteze elemenata Univerzuma, onda su ti njegovi drevni atomi "izumrli" davno, kao što su izumrli dinosaurusi i mamuti.
U 20. veku nova era, AD, ovaj element je ponovo kreiran. Od 100 mogućih izotopa plutonijuma, sintetizovano je 25. Proučena su nuklearna svojstva 15 od njih. Četiri su našla praktičnu primjenu. A otvoren je sasvim nedavno. U decembru 1940. godine, kada je uranijum bio ozračen teškim jezgrama vodika, grupa američkih radiohemičara predvođena Glennom T. Seaborgom otkrila je ranije nepoznati emiter alfa čestica s poluživotom od 90 godina. Ispostavilo se da je ovaj emiter izotop elementa br. 94 sa masenim brojem 238. Iste godine, ali nekoliko mjeseci ranije, E.M. McMillan i F. Abelson su dobili prvi element teži od uranijuma, element broj 93. Ovaj element je nazvan neptunijum, a element 94 je nazvan plutonijum. Istoričar će definitivno reći da ova imena potiču iz rimske mitologije, ali u suštini porijeklo ovih imena nije mitološko, već astronomsko.
Elementi broj 92 i 93 nazvani su po udaljenim planetama Sunčevog sistema - Uranu i Neptunu, ali Neptun nije poslednji u Sunčevom sistemu, čak dalje leži orbita Plutona - planete o kojoj se još uvek gotovo ništa ne zna. .. Sličnu konstrukciju vidimo i na „lijevom boku“ periodnog sistema: uranijum – neptunijum – plutonijum, međutim, čovečanstvo zna mnogo više o plutonijumu nego o Plutonu. Inače, astronomi su otkrili Pluton samo deset godina prije sinteze plutonijuma - gotovo isti vremenski period razdvajao je otkriće Urana - planete i uranijuma - elementa.


Zagonetke za kriptografe

Prvi izotop elementa br. 94, plutonijum-238, našao je praktičnu primenu ovih dana. Ali ranih 40-ih o tome nisu ni razmišljali. Moguće je dobiti plutonijum-238 u količinama od praktičnog interesa samo oslanjajući se na moćnu nuklearnu industriju. Tada je to bilo tek u povojima. Ali već je bilo jasno da je oslobađanjem energije sadržane u jezgrima teških radioaktivnih elemenata moguće dobiti oružje neviđene snage. Pojavio se projekat Manhattan, koji nije imao ništa više od zajedničkog imena sa čuvenim područjem New Yorka. Ovo je bio opći naziv za sav rad vezan za stvaranje prvih atomskih bombi u Sjedinjenim Državama. Nije naučnik, već vojni čovjek, general Groves, koji je imenovan za šefa Manhattan projekta, “s ljubavlju” nazvao svoje visoko obrazovane štićenike “razbijenim loncima”.
Vođe "projekta" nisu bili zainteresovani za plutonijum-238. Njegove jezgre, kao i jezgra svih izotopa plutonijuma s parnim masenim brojem, nisu fisijske na niskoenergetske neutrone, tako da ne može poslužiti kao nuklearni eksploziv. Ipak, prvi ne baš jasni izvještaji o elementima br. 93 i 94 pojavili su se u štampi tek u proljeće 1942. godine.
Kako to možemo objasniti? Fizičari su shvatili: sinteza izotopa plutonijuma sa neparnim masenim brojevima bila je pitanje vremena, i to ne predugo. Očekivalo se da će čudni izotopi, poput urana-235, moći podržati nuklearnu lančanu reakciju. Neki su ih vidjeli kao potencijalni nuklearni eksploziv, koji još nije primljen. I ove nade plutonijum, nažalost, opravdao je.
U šifriranju tog vremena, element broj 94 nije se zvao ništa drugo do... bakar. A kada se pojavila potreba za samim bakrom (kao konstrukcijskim materijalom za neke dijelove), tada se u kodovima, uz "bakar", pojavio i "pravi bakar".

"Drvo poznanja dobra i zla"

Godine 1941. otkriven je najvažniji izotop plutonijuma - izotop masenog broja 239. I skoro odmah je potvrđeno predviđanje teoretičara: jezgra plutonijuma-239 su se delila toplotnim neutronima. Štaviše, tokom njihove fisije nije proizveden ništa manji broj neutrona nego tokom fisije uranijuma-235. Odmah su navedeni načini za dobijanje ovog izotopa u velikim količinama...
Prošle su godine. Sada nikome nije tajna da su nuklearne bombe pohranjene u arsenalima napunjene plutonijumom-239 i da su te bombe dovoljne da izazovu nepopravljivu štetu cijelom životu na Zemlji.
Rašireno je uvjerenje da je čovječanstvo očito žurilo s otkrićem nuklearne lančane reakcije (čija je neizbježna posljedica bilo stvaranje nuklearne bombe). Možete razmišljati drugačije ili se pretvarati da mislite drugačije - ugodnije je biti optimista. Ali čak se i optimisti neizbježno suočavaju s pitanjem odgovornosti naučnika. Pamtimo trijumfalni junski dan 1954. godine, dan kada se uključila prva nuklearna elektrana u Obninsku. Ali ne možemo zaboraviti avgustovsko jutro 1945. - "jutro Hirošime", "crni dan Alberta Ajnštajna"... Sjećamo se prvih poslijeratnih godina i divlje atomske ucjene - osnove američke politike tih godina. . Ali zar čovječanstvo nije iskusilo mnogo nevolja u narednim godinama? Štaviše, ove strepnje su višestruko pojačane svešću da će, ako izbije novi svetski rat, biti upotrebljeno nuklearno oružje.
Ovdje možete pokušati dokazati da otkriće plutonijuma nije unijelo strah čovječanstvu, da je, naprotiv, bilo samo korisno.
Recimo, desilo se da je iz nekog razloga ili, kako bi se to nekada reklo, voljom Božjom, plutonijum bio nedostupan naučnicima. Da li bi se onda naši strahovi i brige smanjili? Ništa se nije dogodilo. Nuklearne bombe bi se pravile od uranijuma-235 (i to u ne manjoj količini nego od plutonijuma), a te bi bombe „pojele“ i veći deo budžeta nego sada.
Ali bez plutonija ne bi bilo izgleda za mirno korištenje nuklearne energije u velikim razmjerima. Jednostavno ne bi bilo dovoljno uranijuma-235 za „mirni atom“. Zlo koje je naneseno čovječanstvu otkrićem nuklearne energije ne bi bilo uravnoteženo, čak ni djelomično, dostignućima „dobrog atoma“.

Kako izmjeriti, sa čime uporediti

Kada se jezgro plutonijum-239 neutronima podijeli na dva fragmenta približno jednake mase, oslobađa se oko 200 MeV energije. To je 50 miliona puta više energije koja se oslobađa u najpoznatijoj egzotermnoj reakciji C + O 2 = CO 2. "Sagorevanjem" u nuklearnom reaktoru, gram plutonijuma daje 2.107 kcal. Kako ne bismo narušili tradiciju (a u popularnim člancima energija nuklearnog goriva se obično mjeri u nesistemskim jedinicama - tonama uglja, benzina, trinitrotoluena itd.), također napominjemo: ovo je energija sadržana u 4 tone uglja. A običan naprstak sadrži količinu plutonijuma energetski ekvivalentnu četrdeset vagona dobrog brezovog ogreva.
Ista energija se oslobađa tokom fisije jezgara uranijuma-235 neutronima. Ali najveći deo prirodnog uranijuma (99,3%!) je izotop 238 U, koji se može iskoristiti samo pretvaranjem uranijuma u plutonijum...

Energija kamenja

Procijenimo energetske resurse sadržane u prirodnim rezervama uranijuma.
Uranijum je element u tragovima i nalazi se skoro svuda. Svako ko je posetio, na primer, Kareliju, verovatno će se setiti granitnih gromada i obalnih litica. Ali malo ljudi zna da tona granita sadrži do 25 g uranijuma. Graniti čine skoro 20% težine zemljine kore. Ako računamo samo uranijum-235, onda tona granita sadrži 3,5-105 kcal energije. Mnogo je, ali...
Prerada granita i vađenje uranijuma iz njega zahtijevaju još veću količinu energije - oko 106-107 kcal/t. Sada, kada bi bilo moguće koristiti ne samo uranijum-235, već i uranijum-238 kao izvor energije, onda bi se granit mogao smatrati barem potencijalnom energetskom sirovinom. Tada bi energija dobijena iz tone kamena bila od 8-107 do 5-108 kcal. To je ekvivalentno 16-100 tona uglja. I u ovom slučaju, granit bi ljudima mogao pružiti gotovo milion puta više energije od svih rezervi hemijskog goriva na Zemlji.
Ali jezgra uranijuma-238 se ne cijepaju neutronima. Ovaj izotop je beskoristan za nuklearnu energiju. Tačnije, bilo bi beskorisno da se ne može pretvoriti u plutonijum-239. I što je posebno važno: praktički ne treba trošiti energiju na ovu nuklearnu transformaciju – naprotiv, energija se proizvodi u tom procesu!
Pokušajmo shvatiti kako se to događa, ali prvo nekoliko riječi o prirodnom plutoniju.

400 hiljada puta manje od radijuma

Već je rečeno da izotopi plutonijuma nisu sačuvani od sinteze elemenata tokom formiranja naše planete. Ali to ne znači da na Zemlji nema plutonijuma.
Stalno se formira u rudama uranijuma. Hvatanjem neutrona iz kosmičkog zračenja i neutrona proizvedenih spontanom fisijom jezgri uranijuma-238, neki - vrlo mali - atomi ovog izotopa pretvaraju se u atome uranijuma-239. Ova jezgra su vrlo nestabilna; emituju elektrone i time povećavaju njihov naboj. Formira se neptunijum, prvi transuranski element. Neptunijum-239 je takođe veoma nestabilan, a njegova jezgra emituju elektrone. Za samo 56 sati polovina neptunija-239 pretvara se u plutonijum-239, čiji je poluživot već prilično dug - 24 hiljade godina.
Zašto se plutonijum ne izdvaja iz ruda uranijuma?? Niska, preniska koncentracija. "Proizvodnja po gramu - rad godišnje" - radi se o radijumu, a plutonijum u rudama je 400 hiljada puta manji od radijuma. Stoga je izuzetno teško ne samo eksploatirati, već čak i otkriti „kopneni“ plutonijum. To je učinjeno tek nakon što su proučavana fizička i kemijska svojstva plutonija proizvedenog u nuklearnim reaktorima.
Plutonijum se akumulira u nuklearnim reaktorima. U snažnim tokovima neutrona dešava se ista reakcija kao i u uranijumskim rudama, ali je stopa formiranja i akumulacije plutonija u reaktoru mnogo veća - milijardu milijardi puta. Za reakciju pretvaranja balastnog uranijuma-238 u energetski plutonijum-239 stvaraju se optimalni (u okviru prihvatljivih) uslovi.
Ako reaktor radi na toplinskim neutronima (sjetimo se da je njihova brzina oko 2000 m u sekundi, a njihova energija je djelić elektronvolta), tada se iz prirodne mješavine izotopa uranijuma dobiva količina plutonijuma koja je nešto manja od količina „sagorenog“ uranijuma-235. Malo, ali manje, plus neizbežni gubici plutonijuma tokom njegovog hemijskog odvajanja od ozračenog uranijuma. Osim toga, nuklearna lančana reakcija održava se u prirodnoj mješavini izotopa uranijuma samo dok se mali dio uranijuma-235 ne potroši. Otuda logičan zaključak: “termalni” reaktor koji koristi prirodni uran – glavni tip reaktora koji trenutno rade – ne može osigurati proširenu reprodukciju nuklearnog goriva. Ali šta onda obećava? Da bismo odgovorili na ovo pitanje, uporedimo tok nuklearne lančane reakcije u uranijumu-235 i plutonijumu-239 i uvedemo još jedan fizički koncept u naše rasprave.
Najvažnija karakteristika svakog nuklearnog goriva je prosječan broj neutrona koji se emituju nakon što je jezgro uhvatilo jedan neutron. Fizičari ga nazivaju eta brojem i označavaju ga grčkim slovom q. U „termalnim“ reaktorima na uranijumu, primećuje se sledeći obrazac: svaki neutron generiše u proseku 2,08 neutrona (η = 2,08). Plutonijum smešten u takav reaktor pod uticajem termičkih neutrona daje η = 2,03. Ali postoje i reaktori koji rade na brzim neutronima. Beskorisno je ubacivati ​​prirodnu mješavinu izotopa uranijuma u takav reaktor: neće doći do lančane reakcije. Ali ako je „sirov materijal“ obogaćen uranijumom-235, može se razviti u „brzim“ reaktoru. U ovom slučaju, c će već biti jednako 2,23. A plutonijum, izložen vatri brzih neutrona, daće η jednako 2,70. Imat ćemo na raspolaganju “dodatnih pola neutrona”. A ovo nije nimalo malo.

Hajde da vidimo na šta se troše dobijeni neutroni. U svakom reaktoru potreban je jedan neutron za održavanje nuklearne lančane reakcije. Konstrukcijski materijali instalacije apsorbuju 0,1 neutrona. “Višak” se koristi za akumulaciju plutonijuma-239. U jednom slučaju “višak” je 1,13, au drugom 1,60. Nakon "sagorevanja" kilograma plutonija u "brzim" reaktoru, oslobađa se kolosalna energija i akumulira se 1,6 kg plutonija. A uranijum u "brzim" reaktoru će dati istu energiju i 1,1 kg novog nuklearnog goriva. U oba slučaja evidentna je proširena reprodukcija. Ali ne smijemo zaboraviti na ekonomiju.
Zbog niza tehničkih razloga, ciklus reprodukcije plutonijuma traje nekoliko godina. Recimo pet godina. To znači da će se količina plutonijuma godišnje povećati za samo 2% ako je η=2,23, odnosno za 12% ako je η=2,7! Nuklearno gorivo je kapital i svaki kapital treba da daje, recimo, 5% godišnje. U prvom slučaju postoje veliki gubici, au drugom veliki profit. Ovaj primitivni primjer ilustruje "težinu" svake desetine broja u nuklearnoj energiji.
Još nešto je takođe važno. Nuklearna energija mora držati korak sa rastućom potražnjom za energijom. Proračuni pokazuju da je njegov uslov u budućnosti ispunjen tek kada se η približi tri. Ako razvoj nuklearnih izvora energije zaostaje za energetskim potrebama društva, preostaju dvije opcije: ili „usporiti napredak“ ili uzimati energiju iz nekih drugih izvora. One su poznate: termonuklearna fuzija, energija anihilacije materije i antimaterije, ali još nisu tehnički dostupne. I ne zna se kada će postati pravi izvori energije za čovječanstvo. A energija teških jezgara odavno je postala stvarnost za nas, a danas plutonij, kao glavni "snabdjevač" atomske energije, nema ozbiljnih konkurenata, osim, možda, uranijuma-233.


Zbir mnogih tehnologija

Kada se kao rezultat nuklearnih reakcija nakupi potrebna količina plutonija u uranijumu, on se mora odvojiti ne samo od samog uranijuma, već i od fisijskih fragmenata - i urana i plutonija, koji su izgorjeli u nuklearnoj lančanoj reakciji. Osim toga, uranijum-plutonijumska masa sadrži i određenu količinu neptunija. Najteže je odvojiti plutonijum od neptunija i retkozemnih elemenata (lantanida). Plutonijum, kao hemijski element, donekle nije imao sreće. Sa kemičarske tačke gledišta, glavni element nuklearne energije je samo jedan od četrnaest aktinida. Poput rijetkih zemnih elemenata, svi elementi aktinijuma su vrlo slični jedni drugima po kemijskim svojstvima; struktura vanjskih elektronskih omotača atoma svih elemenata od aktinijuma do 103 je ista. Ono što je još neugodnije je da su hemijska svojstva aktinida slična svojstvima rijetkih zemnih elemenata, a među fisionim fragmentima uranijuma i plutonija ima više nego dovoljno lantanida. Ali tada element 94 može biti u pet valentnih stanja, a to "slađuje pilulu" - pomaže da se plutonijum odvoji i od uranijuma i od fisijskih fragmenata.
Valencija plutonijuma varira od tri do sedam. Hemijski, najstabilnija (a samim tim i najčešća i najviše proučavana) jedinjenja su četvorovalentni plutonijum.
Razdvajanje aktinida sličnih hemijskih svojstava - uranijuma, neptunijuma i plutonijuma - može se zasnivati ​​na razlici u svojstvima njihovih tetra- i heksavalentnih jedinjenja.

Nema potrebe detaljno opisivati ​​sve faze hemijskog odvajanja plutonijuma i uranijuma. Obično njihovo odvajanje počinje otapanjem uranovih šipki u dušičnoj kiselini, nakon čega se uran, neptun, plutonij i fragmentacijski elementi sadržani u otopini "odvajaju", koristeći tradicionalne radiohemijske metode za to - taloženje, ekstrakciju, ionsku izmjenu i druge . Konačni proizvodi ove višestepene tehnologije koji sadrže plutonij su njegov dioksid PuO 2 ili fluoridi - PuF 3 ili PuF 4. One se redukuju u metal sa parom barijuma, kalcijuma ili litijuma. Međutim, plutonijum dobijen u ovim procesima nije prikladan za ulogu konstrukcijskog materijala - od njega se ne mogu napraviti gorivi elementi nuklearnih energetskih reaktora, a ne može se baciti naboj atomske bombe. Zašto? Tačka topljenja plutonijuma - samo 640°C - je sasvim dostižna.
Bez obzira na to koji se "ultra-blagi" uslovi koriste za livenje delova od čistog plutonijuma, tokom skrućivanja uvek će se pojaviti pukotine na odlivcima. Na 640°C, plutonijum koji se skrućuje formira kubičnu kristalnu rešetku. Kako temperatura pada, gustoća metala se postepeno povećava. Ali tada je temperatura dostigla 480°C, a onda odjednom gustina plutonijuma naglo opada. Razlozi ove anomalije otkriveni su prilično brzo: na ovoj temperaturi atomi plutonijuma su preuređeni u kristalnoj rešetki. Postaje tetragonalno i vrlo „labavo“. Takav plutonijum može plutati u sopstvenom topljenju, poput leda na vodi.
Temperatura nastavlja da pada, sada je dostigla 451°C, a atomi su ponovo formirali kubičnu rešetku, ali se nalaze na većoj udaljenosti jedan od drugog nego u prvom slučaju. Daljnjim hlađenjem, rešetka prvo postaje ortorombna, a zatim monoklinska. Ukupno, plutonijum formira šest različitih kristalnih oblika! Dva od njih odlikuju se izvanrednim svojstvom - negativnim koeficijentom toplinskog širenja: s povećanjem temperature, metal se ne širi, već skuplja.
Kada temperatura dostigne 122°C i atomi plutonijuma po šesti put preurede svoje redove, gustina se posebno dramatično menja - sa 17,77 na 19,82 g/cm 3 . Više od 10%!
Shodno tome, volumen ingota se smanjuje. Ako je metal još uvijek mogao odoljeti naprezanjima koja su nastala na drugim prijelazima, tada je u ovom trenutku uništenje neizbježno.
Kako onda napraviti dijelove od ovog nevjerovatnog metala? Metalurzi legiraju plutonijum (dodajući mu male količine potrebnih elemenata) i dobijaju odlivke bez ijedne pukotine. Koriste se za pravljenje plutonijumskih punjenja za nuklearne bombe. Težina naboja (određena je prvenstveno kritičnom masom izotopa) je 5-6 kg. Lako se može uklopiti u kocku sa ivicom veličine 10 cm.

Teški izotopi plutonijuma

Plutonijum-239 takođe sadrži u malim količinama više izotope ovog elementa - sa masenim brojevima 240 i 241. Izotop 240 Pu je praktično beskoristan - balast je u plutonijumu. Od 241 se dobija americij - element br. 95. U svom čistom obliku, bez primjesa drugih izotopa, plutonijum-240 i plutonijum-241 se mogu dobiti elektromagnetnim odvajanjem plutonijuma nakupljenog u reaktoru. Prije toga plutonij se dodatno ozrači neutronskim tokovima sa strogo određenim karakteristikama. Naravno, sve je to vrlo komplikovano, pogotovo što plutonijum nije samo radioaktivan, već i veoma toksičan. Rad s njim zahtijeva izuzetan oprez.
Jedan od najzanimljivijih izotopa plutonijuma, 242 Pu, može se dobiti dugotrajnim zračenjem 239 Pu u neutronskim fluksovima. 242 Pu vrlo rijetko hvata neutrone i stoga „sagorijeva“ u reaktoru sporije od drugih izotopa; opstaje čak i nakon što su se preostali izotopi plutonijuma gotovo u potpunosti pretvorili u fragmente ili pretvorili u plutonijum-242.
Plutonijum-242 je važan kao "sirovina" za relativno brzo nakupljanje viših transuranijumskih elemenata u nuklearnim reaktorima. Ako se plutonijum-239 ozrači u konvencionalnom reaktoru, tada će biti potrebno oko 20 godina da se akumuliraju mikrogramske količine, na primjer, California-252 iz grama plutonijuma.
Moguće je smanjiti vrijeme akumulacije viših izotopa povećanjem intenziteta neutronskog fluksa u reaktoru. To je ono što oni rade, ali tada ne možete ozračiti velike količine plutonijuma-239. Uostalom, ovaj izotop je podijeljen neutronima, a previše energije se oslobađa u intenzivnim tokovima. Dodatne poteškoće nastaju kod hlađenja reaktora. Da bi se izbjegle ove poteškoće, bilo bi potrebno smanjiti količinu ozračenog plutonija. Posljedično, prinos kalifornija bi opet postao oskudan. Začarani krug!
Plutonijum-242 se ne deli na termičke neutrone, može se u velikim količinama ozračiti u intenzivnim neutronskim fluksovima... Stoga se u reaktorima svi elementi od americijuma do fermijuma „prave“ od ovog izotopa i akumuliraju u težinskim količinama.
Svaki put kada bi naučnici uspeli da dobiju novi izotop plutonijuma, mereno je vreme poluraspada njegovih jezgara. Period poluraspada izotopa teških radioaktivnih jezgara s parnim masenim brojevima se redovno mijenja. (To se ne može reći za čudne izotope.)
Kako se masa povećava, tako se povećava i "životni vijek" izotopa. Prije nekoliko godina, vrhunac ovog grafikona bio je plutonijum-242. I kako će onda ići ova kriva - sa daljim povećanjem masenog broja? Do tačke 1, koja odgovara životnom veku od 30 miliona godina, ili do tačke 2, koja odgovara 300 miliona godina? Odgovor na ovo pitanje bio je veoma važan za geonauke. U prvom slučaju, da se prije 5 milijardi godina Zemlja sastojala u potpunosti od 244 Pu, sada bi u cijeloj masi Zemlje ostao samo jedan atom plutonijuma-244. Ako je druga pretpostavka tačna, tada bi plutonijum-244 mogao biti u Zemlji u koncentracijama koje bi se već mogle detektovati. Ako bismo imali sreće da pronađemo ovaj izotop u Zemlji, nauka bi dobila najvrednije informacije o procesima koji su se odvijali tokom formiranja naše planete.

Poluživot nekih izotopa plutonijuma

Prije nekoliko godina, naučnici su se suočili s pitanjem: vrijedi li pokušati pronaći teški plutonijum u Zemlji? Da bi se odgovorilo, bilo je potrebno prije svega odrediti vrijeme poluraspada plutonijuma-244. Teoretičari nisu mogli izračunati ovu vrijednost sa potrebnom tačnošću. Sva nada bila je samo za eksperiment.
Plutonijum-244 akumuliran u nuklearnom reaktoru. Ozračen je element br. 95 - americij (izotop 243 Am). Nakon što je uhvatio neutron, ovaj izotop se pretvorio u americij-244; americij-244 se u jednom od 10 hiljada slučajeva pretvorio u plutonijum-244.
Preparat plutonijum-244 izolovan je iz mešavine americijuma i kurijuma. Uzorak je težio samo nekoliko milionitih delova grama. Ali oni su bili dovoljni da odrede vrijeme poluraspada ovog zanimljivog izotopa. Ispostavilo se da je jednako 75 miliona godina. Kasnije su drugi istraživači razjasnili vreme poluraspada plutonijuma-244, ali ne mnogo - 81 milion godina. Godine 1971. pronađeni su tragovi ovog izotopa u mineralu rijetke zemlje bastnäsite.
Naučnici su činili mnogo pokušaja da pronađu izotop elementa transuranija koji živi duže od 244 Pu. Ali svi pokušaji su ostali uzaludni. Svojevremeno su se nade polagale na kurijum-247, ali nakon što se ovaj izotop nakupio u reaktoru, ispostavilo se da mu je vrijeme poluraspada samo 16 miliona godina. Nije bilo moguće oboriti rekord plutonijuma-244 - on je najdugovječniji od svih izotopa transuranijumskih elemenata.
Čak i teži izotopi plutonijuma prolaze kroz beta raspad, a njihov životni vek se kreće od nekoliko dana do nekoliko desetinki sekunde. Pouzdano znamo da svi izotopi plutonijuma nastaju u termonuklearnim eksplozijama, do 257 Pu. Ali njihov životni vijek je desetinki sekunde, a mnogi kratkotrajni izotopi plutonijuma još nisu proučavani.


Mogućnosti prvog izotopa plutonijuma

I na kraju - o plutonijumu-238 - prvom od "ljudskih" izotopa plutonijuma, izotopa koji se u početku činio neperspektivnim. To je zapravo vrlo zanimljiv izotop. Podložan je alfa raspadu, odnosno njegova jezgra spontano emituju alfa čestice - jezgra helijuma. Alfa čestice koje stvaraju jezgra plutonijum-238 nose visoku energiju; raspršena u materiji, ova energija se pretvara u toplotu. Koliko je velika ova energija? Šest miliona elektron-volti oslobađa se raspadom jednog atomskog jezgra plutonijuma-238. U hemijskoj reakciji, ista energija se oslobađa kada se nekoliko miliona atoma oksidira. Izvor električne energije koji sadrži jedan kilogram plutonijuma-238 razvija toplotnu snagu od 560 vati. Maksimalna snaga hemijskog izvora struje iste mase je 5 vati.
Postoji mnogo emitera sa sličnim energetskim karakteristikama, ali jedna karakteristika plutonijuma-238 čini ovaj izotop nezamenljivim. Alfa raspad je obično praćen jakim gama zračenjem koje prodire kroz velike slojeve materije. 238 Pu je izuzetak. Energija gama zraka koja prati raspad njegovih jezgara je niska i nije teško zaštititi se od nje: zračenje se apsorbira tankosidnim spremnikom. Vjerovatnoća spontane fisije jezgara ovog izotopa je također niska. Stoga je pronašao primjenu ne samo u trenutnim izvorima, već iu medicini. Baterije koje sadrže plutonijum-238 služe kao izvor energije u posebnim srčanim stimulatorima.
Ali 238 Pu nije najlakši poznati izotop elementa br. 94; dobijeni su izotopi plutonijuma sa masenim brojevima od 232 do 237. Poluživot najlakšeg izotopa je 36 minuta.

Plutonijum je velika tema. Ovdje su ispričane najvažnije stvari. Uostalom, već je postala standardna fraza da je hemija plutonijuma proučavana mnogo bolje od hemije takvih „starih“ elemenata kao što je gvožđe. O nuklearnim svojstvima plutonijuma napisane su čitave knjige. Metalurgija plutonijuma je još jedan neverovatan deo ljudskog znanja... Zato ne treba da mislite da ste nakon čitanja ove priče zaista naučili plutonijum - najvažniji metal 20. veka.

  • KAKO NOSITI PLUTONIJUM. Radioaktivni i otrovni plutonijum zahteva posebnu pažnju tokom transporta. Kontejner je dizajniran posebno za njegov transport - kontejner koji se ne uništava ni u avionskim nesrećama. Izrađen je prilično jednostavno: to je posuda od nehrđajućeg čelika debelih stijenki okružena školjkom od mahagonija. Očigledno, plutonijum se isplati, ali zamislite koliko zidovi moraju biti debeli ako znate da je kontejner za transport samo dva kilograma plutonijuma težak 225 kg!
  • OTROV I ANTIDOT. Agencija Frans pres je 20. oktobra 1977. izvijestila da je pronađeno hemijsko jedinjenje koje može ukloniti plutonijum iz ljudskog tijela. Nekoliko godina kasnije, dosta se saznalo o ovom spoju. Ovo složeno jedinjenje je linearni katehinamid karboksilaze, supstanca klase helata (od grčkog "chela" - kandža). Atom plutonijuma, slobodan ili vezan, je zarobljen u ovoj hemijskoj kandži. Kod laboratorijskih miševa ova supstanca je korištena za uklanjanje do 70% apsorbiranog plutonija iz tijela. Vjeruje se da će u budućnosti ovo jedinjenje pomoći ekstrahiranju plutonijuma i iz proizvodnog otpada i iz nuklearnog goriva.

Ovaj metal se naziva plemenitim, ali ne zbog njegove ljepote, već zbog njegove nezamjenjivosti. U periodnom sistemu Mendeljejeva, ovaj element zauzima ćeliju broj 94. Upravo s njim naučnici polažu najveće nade, a plutonijum nazivaju najopasnijim metalom za čovečanstvo.

Plutonijum: opis

Po izgledu je metal srebrno-bijele boje. Radioaktivan je i može se predstaviti u obliku 15 izotopa s različitim poluraspadom, na primjer:

  • Pu-238 – oko 90 godina
  • Pu-239 – oko 24 hiljade godina
  • Pu-240 – 6580 godina
  • Pu-241 – 14 godina
  • Pu-242 – 370 hiljada godina
  • Pu-244 – oko 80 miliona godina

Ovaj metal se ne može izdvojiti iz rude, jer je proizvod radioaktivne transformacije uranijuma.

Kako se dobija plutonijum?

Proizvodnja plutonijuma zahteva fisiju uranijuma, što se može izvršiti samo u nuklearnim reaktorima. Ako govorimo o prisustvu elementa Pu u zemljinoj kori, onda će za 4 miliona tona uranijumske rude biti samo 1 gram čistog plutonijuma. A ovaj gram nastaje prirodnim hvatanjem neutrona jezgrima urana. Dakle, da bi se dobilo ovo nuklearno gorivo (najčešće izotop 239-Pu) u količini od nekoliko kilograma, potrebno je provesti složen tehnološki proces u nuklearnom reaktoru.

Svojstva plutonijuma


Radioaktivni metalni plutonijum ima sljedeća fizička svojstva:

  • gustina 19,8 g/cm 3
  • tačka topljenja – 641°C
  • tačka ključanja – 3232°C
  • toplotna provodljivost (na 300 K) – 6,74 W/(m K)

Plutonijum je radioaktivan, zbog čega je topao na dodir. Štoviše, ovaj metal karakterizira najniža toplinska i električna provodljivost. Tečni plutonijum je najviskozniji od svih postojećih metala.

Najmanja promjena temperature plutonija dovodi do trenutne promjene gustine tvari. Općenito, masa plutonijuma se stalno mijenja, budući da su jezgra ovog metala u stanju konstantne fisije na manja jezgra i neutrone. Kritična masa plutonijuma je naziv za minimalnu masu fisione supstance pri kojoj fisija (nuklearna lančana reakcija) ostaje moguća. Na primjer, kritična masa plutonijuma za oružje je 11 kg (za poređenje, kritična masa visoko obogaćenog uranijuma je 52 kg).

Uranijum i plutonijum su glavna nuklearna goriva. Za dobivanje plutonijuma u velikim količinama koriste se dvije tehnologije:

  • zračenje uranijumom
  • zračenje transuranijumskih elemenata dobijenih iz istrošenog goriva


Obje metode uključuju razdvajanje plutonija i uranijuma kao rezultat kemijske reakcije.

Da bi se dobio čisti plutonijum-238, koristi se neutronsko zračenje neptunija-237. Isti izotop je uključen u stvaranje plutonijuma-239 za oružje; posebno, on je međuproizvod raspadanja. 1 milion dolara je cijena za 1 kg plutonijuma-238.

Poznato je 15 izotopa plutonijuma. Najvažniji od njih je Pu-239 s vremenom poluraspada od 24.360 godina. Specifična težina plutonijuma je 19,84 na temperaturi od 25°C. Metal počinje da se topi na temperaturi od 641°C i ključa na 3232°C. Njegova valencija je 3, 4, 5 ili 6.

Metal ima srebrnastu nijansu i postaje žut kada je izložen kiseoniku. Plutonijum je hemijski reaktivan metal i lako se otapa u koncentrovanoj hlorovodoničnoj kiselini, perhlorovodoničnoj kiselini i jodovodonoj kiselini. Tokom raspadanja, metal oslobađa toplotnu energiju.

Plutonijum je drugi otkriveni transuranski aktinid. U prirodi se ovaj metal može naći u malim količinama u rudama uranijuma.

Plutonijum je otrovan i zahteva pažljivo rukovanje. Najfisioniji izotop plutonijuma korišten je kao nuklearno oružje. Konkretno, korišten je u bombi koja je bačena na japanski grad Nagasaki.

Ovo je radioaktivni otrov koji se nakuplja u koštanoj srži. Nekoliko nesreća, od kojih su neke bile fatalne, dogodilo se tokom eksperimentiranja na ljudima da proučavaju plutonijum. Važno je da plutonijum ne dostigne kritičnu masu. U rastvoru, plutonijum formira kritičnu masu brže nego u čvrstom stanju.

Atomski broj 94 znači da su svi atomi plutonijuma 94. U vazduhu se na površini metala formira plutonijum oksid. Ovaj oksid je piroforan, pa će plutonijum koji tinja treperiti poput pepela.

Postoji šest alotropnih oblika plutonijuma. Sedmi oblik se pojavljuje na visokim temperaturama.

U vodenom rastvoru plutonijum menja boju. Različite nijanse pojavljuju se na površini metala dok oksidira. Proces oksidacije je nestabilan i boja plutonijuma se može naglo promeniti.

Za razliku od većine supstanci, plutonijum postaje gušći kada se otopi. U rastopljenom stanju, ovaj element je viskozniji od drugih metala.

Metal se koristi u radioaktivnim izotopima u termoelektričnim generatorima koji napajaju svemirske letjelice. U medicini se koristi u proizvodnji elektronskih srčanih stimulatora.

Udisanje isparenja plutonijuma je opasno po zdravlje. U nekim slučajevima to može uzrokovati rak pluća. Udahnuti plutonijum ima metalni ukus.

Plutonijum (latinski Plutonium, simbol Pu) je radioaktivni hemijski element sa atomskim brojem 94 i atomskom težinom 244,064. Plutonijum je element III grupe periodnog sistema Dmitrija Ivanoviča Mendeljejeva i pripada porodici aktinida. Plutonijum je težak (gustina u normalnim uslovima 19,84 g/cm³) krhki radioaktivni metal srebrno-bele boje.

Plutonijum nema stabilne izotope. Od stotinu mogućih izotopa plutonijuma, dvadeset pet je sintetizovano. Proučavana su nuklearna svojstva petnaest od njih (maseni brojevi 232-246). Četiri su našla praktičnu primjenu. Najdugovječniji izotopi su 244Pu (vrijeme poluraspada 8,26-107 godina), 242Pu (vrijeme poluraspada 3,76-105 godina), 239Pu (vrijeme poluraspada 2,41-104 godine), 238Pu (vrijeme poluraspada 8,26-107 godina) -7α-7. emiteri i 241Pu (poluživot 14 godina) - β-emiter. U prirodi se plutonijum nalazi u zanemarljivim količinama u rudama uranijuma (239Pu); nastaje od uranijuma pod uticajem neutrona, čiji su izvori reakcije koje se dešavaju tokom interakcije α-čestica sa lakim elementima (uključenim u rude), spontana fisija jezgara uranijuma i kosmičko zračenje.

Devedeset četvrti element otkrila je grupa američkih naučnika - Glenn Seaborg, Kennedy, Edwin McMillan i Arthur Wahl 1940. godine u Berkeleyju (na Kalifornijskom univerzitetu) kada su bombardirali metu uranijum oksida (U3O8) visoko ubrzanim jezgrima deuterijuma. (deuteroni) iz ciklotrona od šezdeset inča. U maju 1940. svojstva plutonijuma je predvidio Lewis Turner.

U decembru 1940. otkriven je izotop plutonijuma Pu-238, sa vremenom poluraspada od ~90 godina, a godinu dana kasnije usledio je važniji Pu-239 sa vremenom poluraspada od ~24.000 godina.

Edwin MacMillan je 1948. godine predložio da se hemijski element nazove plutonijum u čast otkrića nove planete Pluton i po analogiji sa neptunijem, koji je dobio ime po otkriću Neptuna.

Metalni plutonijum (239Pu izotop) koristi se u nuklearnom oružju i služi kao nuklearno gorivo u energetskim reaktorima koji rade na termičkim i posebno brzim neutronima. Kritična masa za 239Pu kao metal je 5,6 kg. Između ostalog, izotop 239Pu je polazni materijal za proizvodnju transplutonijumskih elemenata u nuklearnim reaktorima. Izotop 238Pu koristi se u malim nuklearnim izvorima energije koji se koriste u svemirskim istraživanjima, kao i u ljudskim srčanim stimulansima.

Plutonijum-242 je važan kao "sirovina" za relativno brzo nakupljanje viših transuranijumskih elemenata u nuklearnim reaktorima. δ-stabilizirane legure plutonijuma koriste se u proizvodnji gorivih ćelija, jer imaju bolja metalurška svojstva u poređenju sa čistim plutonijumom, koji prolazi kroz fazne prelaze kada se zagreva. Plutonijum oksidi se koriste kao izvor energije za svemirsku tehnologiju i nalaze svoju primenu u gorivim šipkama.

Sva jedinjenja plutonijuma su otrovna, što je posledica α-zračenja. Alfa čestice predstavljaju ozbiljnu opasnost ako je njihov izvor u tijelu zaražene osobe, oštećuju okolno tkivo tijela. Gama zračenje plutonijuma nije opasno za organizam. Vrijedi uzeti u obzir da različiti izotopi plutonija imaju različitu toksičnost, na primjer, tipični reaktorski plutonij je 8-10 puta toksičniji od čistog 239Pu, budući da u njemu dominiraju 240Pu nuklidi, koji je snažan izvor alfa zračenja. Plutonij je najradiotoksičniji element od svih aktinida, međutim, smatra se daleko od najopasnijeg elementa, budući da je radij gotovo hiljadu puta opasniji od najotrovnijeg izotopa plutonija - 239Pu.

Biološka svojstva

Plutonijum je koncentriran u morskim organizmima: koeficijent akumulacije ovog radioaktivnog metala (omjer koncentracija u tijelu i vanjskom okruženju) za alge je 1000-9000, za plankton - oko 2300, za morske zvijezde - oko 1000, za mekušce - do 380, za mišiće, kosti, jetru i želudac ribe - 5, 570, 200 i 1060, respektivno. Kopnene biljke apsorbuju plutonijum uglavnom kroz korijenski sistem i akumuliraju ga do 0,01% svoje mase. U ljudskom tijelu, devedeset četvrti element zadržava se uglavnom u kosturu i jetri, odakle se gotovo ne izlučuje (posebno iz kostiju).

Plutonijum je veoma toksičan, a njegova hemijska opasnost (kao i svaki drugi teški metal) je mnogo slabija (hemijski je takođe otrovan kao olovo.) u poređenju sa radioaktivnom toksičnošću koja je posledica alfa zračenja. Štaviše, α-čestice imaju relativno nisku sposobnost prodiranja: za 239Pu raspon α-čestica u vazduhu je 3,7 cm, au mekom biološkom tkivu 43 μm. Stoga alfa čestice predstavljaju ozbiljnu opasnost ako je njihov izvor u tijelu zaražene osobe. Istovremeno oštećuju tkiva tijela koja okružuju element.

Istovremeno, γ-zraci i neutroni, koje takođe emituje plutonijum i koji su u stanju da prodru u telo izvana, nisu mnogo opasni, jer je njihov nivo prenizak da bi mogao da šteti zdravlju. Plutonijum spada u grupu elemenata sa posebno visokom radiotoksičnošću. Istovremeno, različiti izotopi plutonija imaju različitu toksičnost, na primjer, tipični reaktorski plutonij je 8-10 puta toksičniji od čistog 239Pu, budući da u njemu dominiraju nuklidi 240Pu, koji je snažan izvor alfa zračenja.

Kada se unese kroz vodu i hranu, plutonijum je manje toksičan od supstanci kao što su kofein, neki vitamini, pseudoefedrin i mnoge biljke i gljive. To se objašnjava činjenicom da se ovaj element slabo apsorbira u gastrointestinalnom traktu, čak i kada se isporučuje u obliku rastvorljive soli, ta ista sol je vezana sadržajem želuca i crijeva. Međutim, gutanje 0,5 grama fino usitnjenog ili rastvorenog plutonijuma može dovesti do smrti od akutnog digestivnog zračenja u roku od nekoliko dana ili nedelja (za cijanid ova vrednost je 0,1 gram).

Sa tačke gledišta udisanja, plutonijum je običan toksin (otprilike ekvivalent pare žive). Kada se udiše, plutonijum je kancerogen i može izazvati rak pluća. Dakle, kada se udahne, sto miligrama plutonija u obliku čestica optimalne veličine za zadržavanje u plućima (1-3 mikrona) dovodi do smrti od plućnog edema za 1-10 dana. Doza od dvadeset miligrama dovodi do smrti od fibroze za otprilike mjesec dana. Manje doze dovode do kroničnog kancerogenog trovanja. Opasnost od udisanja plutonijuma u organizam povećava se zbog činjenice da je plutonijum sklon stvaranju aerosola.

Iako je metal, prilično je hlapljiv. Kratak boravak metala u prostoriji značajno povećava njegovu koncentraciju u zraku. Plutonijum koji ulazi u pluća, delimično se taloži na površini pluća, delimično prelazi u krv, a zatim u limfu i koštanu srž. Većina (otprilike 60%) završava u koštanom tkivu, 30% u jetri i samo 10% se izlučuje prirodnim putem. Količina plutonijuma koja ulazi u organizam zavisi od veličine čestica aerosola i rastvorljivosti u krvi.

Plutonijum koji na ovaj ili onaj način ulazi u ljudsko tijelo sličan je svojstvima željeznog željeza, pa se, prodirajući u krvožilni sustav, plutonij počinje koncentrirati u tkivima koja sadrže željezo: koštana srž, jetra, slezena. Organizam percipira plutonijum kao gvožđe, pa protein transferina umesto gvožđa uzima plutonijum, usled čega se zaustavlja prenos kiseonika u telu. Mikrofagi prenose plutonijum do limfnih čvorova. Plutonijumu koji uđe u organizam potrebno je veoma dugo vremena da se ukloni iz tela - u roku od 50 godina, samo 80% će biti uklonjeno iz tela. Poluživot iz jetre je 40 godina. Za koštano tkivo, poluživot plutonijuma je 80-100 godina; u stvari, koncentracija elementa devedeset četiri u kostima je konstantna.

Tokom Drugog svetskog rata i nakon njegovog završetka, naučnici koji su radili u Projektu Manhattan, kao i naučnici Trećeg Rajha i drugih istraživačkih organizacija, sprovodili su eksperimente sa plutonijumom na životinjama i ljudima. Studije na životinjama pokazale su da je nekoliko miligrama plutonijuma po kilogramu tkiva smrtonosna doza. Upotreba plutonija kod ljudi sastojala se od obično 5 mcg plutonija koji se ubrizgava intramuskularno kronično bolesnim pacijentima. Na kraju je utvrđeno da je smrtonosna doza za pacijenta bio jedan mikrogram plutonijuma, a da je plutonijum opasniji od radijuma i da se akumulira u kostima.

Kao što je poznato, plutonijum je element koji praktično nema u prirodi. Međutim, oko pet tona je ispušteno u atmosferu kao rezultat nuklearnih proba u periodu 1945-1963. Ukupna količina plutonija ispuštenog u atmosferu zbog nuklearnih proba prije 1980-ih procjenjuje se na 10 tona. Prema nekim procjenama, tlo u Sjedinjenim Državama sadrži u prosjeku 2 milikurija (28 mg) plutonija po km2 padavina, a pojava plutonijuma u Tihom okeanu je povišena u odnosu na ukupnu distribuciju nuklearnih materijala na Zemlji.

Najnoviji fenomen povezan je sa američkim nuklearnim testiranjem na Maršalovim ostrvima na pacifičkom poligonu sredinom 1950-ih. Vrijeme boravka plutonijuma u površinskim okeanskim vodama kreće se od 6 do 21 godine, međutim, i nakon tog perioda plutonijum pada na dno zajedno sa biogenim česticama, iz kojih se kao rezultat mikrobne razgradnje redukuje u rastvorljive oblike.

Globalno zagađenje devedeset četvrtim elementom povezano je ne samo s nuklearnim testovima, već i sa nesrećama u proizvodnji i opremi koja je u interakciji s ovim elementom. Tako se u januaru 1968. na Grenlandu srušio B-52 američkog ratnog zrakoplovstva koji je nosio četiri nuklearne bojeve glave. Kao rezultat eksplozije, punjenja su uništena i plutonijum je iscurio u okean.

Još jedan slučaj radioaktivne kontaminacije okoline kao rezultat nesreće dogodio se sa sovjetskom svemirskom letjelicom Kosmos-954 24. januara 1978. godine. Kao rezultat nekontrolirane deorbite, satelit s nuklearnim izvorom energije na brodu pao je na kanadsku teritoriju. Kao rezultat nesreće, više od kilograma plutonijuma-238 ispušteno je u okolinu, koji se prostire na površini od oko 124.000 m².

Najstrašniji primjer hitnog curenja radioaktivnih tvari u okoliš je nesreća u nuklearnoj elektrani Černobil, koja se dogodila 26. aprila 1986. godine. Kao rezultat uništenja četvrtog bloka, 190 tona radioaktivnih supstanci (uključujući izotope plutonijuma) ispušteno je u okolinu na površini od oko 2200 km².

Ispuštanje plutonijuma u životnu sredinu nije povezano samo sa incidentima koje je napravio čovek. Poznati su slučajevi curenja plutonijuma, kako iz laboratorijskih tako i iz fabričkih uslova. Poznato je više od dvadeset slučajnih curenja iz laboratorija 235U i 239Pu. Tokom 1953-1978. nesreće su dovele do gubitka od 0,81 (Mayak, 15. marta 1953.) do 10.1 kg (Tomsk, 13. decembra 1978.) 239Pu. Industrijski incidenti doveli su do ukupno dva smrtna slučaja u Los Alamosu (21. avgusta 1945. i 21. maja 1946.) zbog dve nesreće i gubitka 6,2 kg plutonijuma. U gradu Sarovu 1953. i 1963. godine. oko 8 i 17,35 kg palo je izvan nuklearnog reaktora. Jedan od njih doveo je do uništenja nuklearnog reaktora 1953. godine.

Kada se jezgro 238Pu cijepa s neutronima, oslobađa se 200 MeV energije, što je 50 miliona puta više od najpoznatije egzotermne reakcije: C + O2 → CO2. "Sagorevanjem" u nuklearnom reaktoru, jedan gram plutonija proizvodi 2.107 kcal - to je energija sadržana u 4 tone uglja. Naprstak plutonijumskog goriva u energetskom ekvivalentu može biti ekvivalent četrdeset vagona dobrog ogrevnog drveta!

Vjeruje se da je "prirodni izotop" plutonijuma (244Pu) najdugovječniji izotop od svih transuranijskih elemenata. Njegovo vrijeme poluraspada je 8,26∙107 godina. Naučnici već dugo pokušavaju da dobiju izotop transuranijumskog elementa koji bi postojao duže od 244Pu - velike nade u tom pogledu polagale su se na 247Cm. Međutim, nakon njegove sinteze pokazalo se da je poluživot ovog elementa samo 14 miliona godina.

Priča

Godine 1934. grupa naučnika predvođena Enrikom Fermijem dala je izjavu da su tokom naučnog rada na Univerzitetu u Rimu otkrili hemijski element sa serijskim brojem 94. Na Fermijevo insistiranje, element je nazvan hesperijum, naučnik je bio uveren da je on je otkrio novi element, koji se sada zove plutonijum, sugerirajući na taj način postojanje transuranijskih elemenata i postao njihov teorijski otkrivač. Fermi je branio ovu hipotezu u svom Nobelovom predavanju 1938. Tek nakon što su njemački naučnici Otto Frisch i Fritz Strassmann otkrili nuklearnu fisiju, Fermi je bio primoran da napravi bilješku u štampanoj verziji objavljenoj u Stockholmu 1939. godine koja ukazuje na potrebu da se preispita “cijeli problem transuranijskih elemenata”. Činjenica je da je rad Frisha i Strassmanna pokazao da je aktivnost koju je Fermi otkrio u svojim eksperimentima posljedica upravo fisije, a ne otkrića transuranijskih elemenata, kako je on ranije vjerovao.

Novi element, devedeset četvrti, otkriven je krajem 1940. Desilo se to u Berkliju na Kalifornijskom univerzitetu. Bombardiranjem uranijum oksida (U3O8) teškim jezgrama vodika (deuteroni), grupa američkih radiohemičara predvođena Glennom T. Seaborgom otkrila je ranije nepoznati emiter alfa čestica s poluživotom od 90 godina. Ispostavilo se da je ovaj emiter izotop elementa br. 94 sa masenim brojem 238. Tako su 14. decembra 1940. godine dobijene prve mikrogramske količine plutonijuma zajedno sa primesom drugih elemenata i njihovih jedinjenja.

Tokom eksperimenta sprovedenog 1940. godine, otkriveno je da se tokom nuklearne reakcije prvo proizvodi kratkotrajni izotop neptunijum-238 (poluživot 2.117 dana), a iz njega plutonijum-238:

23392U (d,2n) → 23893Np → (β−) 23894Pu

Dugi i naporni hemijski eksperimenti za odvajanje novog elementa od nečistoća trajali su dva mjeseca. Postojanje novog hemijskog elementa potvrdili su u noći između 23. i 24. februara 1941. G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy i A. C. Wall kroz proučavanje njegovih prvih hemijskih svojstava - sposobnost da posjeduje najmanje dvije oksidacije. države. Nešto kasnije od kraja eksperimenata, ustanovljeno je da je ovaj izotop nefisilan, pa je stoga nezanimljiv za dalje proučavanje. Ubrzo (mart 1941.), Kennedy, Seaborg, Segre i Wahl sintetizirali su važniji izotop, plutonijum-239, zračenjem uranijuma visoko ubrzanim neutronima u ciklotronu. Ovaj izotop nastaje raspadom neptunija-239, emituje alfa zrake i ima poluživot od 24.000 godina. Prvo čisto jedinjenje elementa dobijeno je 1942. godine, a prve masene količine metalnog plutonijuma dobijene su 1943. godine.

Ime novog elementa 94 predložio je 1948. godine MacMillan, koji je nekoliko mjeseci prije otkrića plutonijuma, zajedno sa F. Eibelsonom, dobio prvi element teži od uranijuma - element br. 93, koji je u čast dobio ime neptunijum. planete Neptun - prvi iza Urana. Po analogiji, odlučili su da element broj 94 nazovu plutonijumom, pošto je planeta Pluton druga posle Urana. Zauzvrat, Seaborg je predložio da se novi element nazove "plutijum", ali je potom shvatio da to ime ne zvuči baš dobro u poređenju sa "plutonijumom". Osim toga, iznio je i druga imena za novi element: ultimium, extermium, zbog pogrešne procjene u to vrijeme da će plutonijum postati posljednji hemijski element u periodnom sistemu. Kao rezultat toga, element je nazvan "plutonijum" u čast otkrića posljednje planete u Sunčevom sistemu.

Biti u prirodi

Vrijeme poluraspada najdugovječnijeg izotopa plutonijuma je 75 miliona godina. Brojka je vrlo impresivna, međutim, starost Galaksije mjeri se milijardama godina. Iz ovoga slijedi da primarni izotopi devedeset četvrtog elementa, nastali tokom velike sinteze elemenata Univerzuma, nisu imali šanse da prežive do danas. Pa ipak, to ne znači da na Zemlji uopće nema plutonijuma. Stalno se formira u rudama uranijuma. Hvatanjem neutrona iz kosmičkog zračenja i neutrona proizvedenih spontanom fisijom jezgara 238U, neki - vrlo mali - atomi ovog izotopa pretvaraju se u atome 239U. Jezgra ovog elementa su vrlo nestabilna, emituju elektrone i time povećavaju njihov naboj, a dolazi do stvaranja neptunija, prvog transuranskog elementa. 239Np je također nestabilan, njegova jezgra također emituju elektrone, pa se za samo 56 sati polovina 239Np pretvara u 239Pu.

Poluživot ovog izotopa je već veoma dug i iznosi 24.000 godina. U prosjeku, sadržaj 239Pu je oko 400.000 puta manji od sadržaja radijuma. Stoga je izuzetno teško ne samo eksploatirati, već čak i otkriti „kopneni“ plutonijum. Male količine 239Pu - dijelovi po trilijunu - i produkti raspadanja mogu se naći u rudama uranijuma, na primjer u prirodnom nuklearnom reaktoru u Oklu, Gabon (Zapadna Afrika). Takozvani "prirodni nuklearni reaktor" smatra se jedinim na svijetu u kojem se trenutno u geosferi formiraju aktinidi i njihovi produkti fisije. Prema savremenim procjenama, prije nekoliko miliona godina na ovim prostorima dogodila se samoodrživa reakcija oslobađanjem topline koja je trajala više od pola miliona godina.

Dakle, već znamo da u rudama urana, kao rezultat hvatanja neutrona jezgrima urana, nastaje neptunijum (239Np), čiji je proizvod β-raspada prirodni plutonijum-239. Zahvaljujući specijalnim instrumentima - spektrometrima mase - u pretkambrijskom bastnezitu (ruda cerija) otkriveno je prisustvo plutonijuma-244 (244Pu), koji ima najduži poluživot - otprilike 80 miliona godina. U prirodi se 244Pu nalazi pretežno u obliku dioksida (PuO2), koji je još manje rastvorljiv u vodi od pijeska (kvarc). Budući da je relativno dugovječni izotop plutonijum-240 (240Pu) u lancu raspada plutonijum-244, njegovo raspadanje se dešava, ali to se dešava vrlo rijetko (1 slučaj na 10.000). Veoma male količine plutonijuma-238 (238Pu) su posledica veoma retkog dvostrukog beta raspada matičnog izotopa, uranijuma-238, koji je pronađen u rudama uranijuma.

Tragovi izotopa 247Pu i 255Pu pronađeni su u prašini prikupljenoj nakon eksplozija termonuklearnih bombi.

Minimalne količine plutonijuma hipotetički bi mogle biti prisutne u ljudskom tijelu, s obzirom na to da je na ovaj ili onaj način proveden ogroman broj nuklearnih testova vezanih za plutonij. Plutonijum se akumulira uglavnom u kosturu i jetri, odakle se praktički ne izlučuje. Osim toga, element devedeset četiri akumuliraju morski organizmi; Kopnene biljke apsorbuju plutonijum uglavnom kroz korijenski sistem.

Ispostavilo se da umjetno sintetizirani plutonij još uvijek postoji u prirodi, pa zašto se onda ne kopa, već se dobiva umjetno? Činjenica je da je koncentracija ovog elementa preniska. O drugom radioaktivnom metalu - radijumu kažu: "gram proizvodnje - godina rada", a radijuma u prirodi ima 400.000 puta više od plutonijuma! Iz tog razloga, izuzetno je teško ne samo eksploatisati, već čak i otkriti „kopneni“ plutonijum. To je učinjeno tek nakon što su proučavana fizička i kemijska svojstva plutonija proizvedenog u nuklearnim reaktorima.

Aplikacija

Izotop 239Pu (zajedno sa U) koristi se kao nuklearno gorivo u energetskim reaktorima koji rade na toplinskim i brzim neutronima (uglavnom), kao i u proizvodnji nuklearnog oružja.

Oko pola hiljade nuklearnih elektrana širom svijeta proizvodi oko 370 GW električne energije (ili 15% ukupne svjetske proizvodnje električne energije). Plutonijum-236 se koristi u proizvodnji atomskih električnih baterija, čiji vijek trajanja doseže pet godina ili više, koriste se u strujnim generatorima koji stimuliraju srce (pejsmejkeri). 238Pu se koristi u malim nuklearnim izvorima energije koji se koriste u svemirskim istraživanjima. Dakle, plutonijum-238 je izvor energije za sonde New Horizons, Galileo i Cassini, rover Curiosity i druge svemirske letjelice.

Nuklearno oružje koristi plutonijum-239 jer je ovaj izotop jedini pogodan nuklid za upotrebu u nuklearnoj bombi. Osim toga, češća upotreba plutonijuma-239 u nuklearnim bombama je zbog činjenice da plutonijum zauzima manji volumen u sferi (gdje se nalazi jezgro bombe), pa se zbog toga može dobiti eksplozivna snaga bombe. imovine.

Šema po kojoj se događa nuklearna eksplozija koja uključuje plutonijum leži u dizajnu same bombe, čija se jezgra sastoji od sfere ispunjene 239Pu. U trenutku sudara sa zemljom, sfera je komprimirana na milion atmosfera zbog dizajna i zahvaljujući eksplozivu koji okružuje ovu sferu. Nakon udara, jezgro se širi u zapremini i gustini u najkraćem mogućem vremenu - desetinama mikrosekundi, sklop preskače kroz kritično stanje sa termalnim neutronima i prelazi u superkritično stanje sa brzim neutronima - počinje nuklearna lančana reakcija uz učešće neutrone i jezgra elementa. Konačna eksplozija nuklearne bombe oslobađa temperature od nekoliko desetina miliona stepeni.

Izotopi plutonijuma su pronašli svoju upotrebu u sintezi transplutonijumskih (pored plutonijuma) elemenata. Na primjer, u Nacionalnoj laboratoriji Oak Ridge, dugotrajnim neutronskim zračenjem se dobijaju 239Pu, 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es i 257100Fm. Na isti način, americij 24195Am je prvi put dobijen 1944. godine. 2010. godine, oksid plutonijum-242 bombardovan jonima kalcijuma-48 poslužio je kao izvor za ununkvadijum.

δ-stabilizovane legure plutonijuma koriste se u proizvodnji gorivih šipki, jer imaju znatno bolja metalurška svojstva u odnosu na čisti plutonijum, koji pri zagrevanju prolazi kroz fazne prelaze i veoma je krhak i nepouzdan materijal. Legure plutonijuma sa drugim elementima (intermetalna jedinjenja) obično se dobijaju direktnom interakcijom elemenata u potrebnim razmerama, dok se uglavnom koristi elektrolučno topljenje; ponekad se nestabilne legure dobijaju taloženjem raspršivanjem ili hlađenjem taline.

Glavni industrijski legirajući elementi za plutonijum su galijum, aluminijum i gvožđe, iako plutonijum može da formira legure i međuprodukte sa većinom metala sa retkim izuzecima (kalijum, natrijum, litijum, rubidijum, magnezijum, kalcijum, stroncijum, barijum, europijum i iterbijum) . Vatrostalni metali: molibden, niobijum, hrom, tantal i volfram su rastvorljivi u tečnom plutonijumu, ali su skoro nerastvorljivi ili slabo rastvorljivi u čvrstom plutonijumu. Indijum, silicijum, cink i cirkonijum su sposobni da formiraju metastabilni δ-plutonijum (δ"-fazu) kada se brzo ohlade. Galij, aluminijum, americij, skandijum i cerij mogu stabilizovati δ-plutonijum na sobnoj temperaturi.

Velike količine holmijuma, hafnijuma i talijuma omogućavaju skladištenje nekog δ-plutonijuma na sobnoj temperaturi. Neptunijum je jedini element koji može stabilizovati α-plutonijum na visokim temperaturama. Titan, hafnij i cirkonijum stabilizuju strukturu β-plutonijuma na sobnoj temperaturi kada se brzo hlade. Primjena takvih legura je prilično raznolika. Na primjer, legura plutonijum-galijum se koristi za stabilizaciju δ faze plutonijuma, čime se izbegava α-δ fazni prelaz. Plutonijum-galijum-kobalt ternarna legura (PuGaCo5) je supravodljiva legura na 18,5 K. Postoji niz legura (plutonijum-cirkonijum, plutonijum-cerijum i plutonijum-cerijum-kobalt) koje se koriste kao nuklearno gorivo.

Proizvodnja

Industrijski plutonijum se proizvodi na dva načina. To je ili zračenje 238U jezgri sadržanih u nuklearnim reaktorima, ili odvajanje radiohemijskim metodama (koprecipitacija, ekstrakcija, ionska izmjena, itd.) plutonija iz uranijuma, transuranskih elemenata i fisionih produkata sadržanih u istrošenom gorivu.

U prvom slučaju, najpraktičniji izotop 239Pu (pomiješan s malom primjesom 240Pu) se proizvodi u nuklearnim reaktorima uz sudjelovanje jezgri urana i neutrona pomoću β-raspada i uz sudjelovanje izotopa neptunija kao međuproizvoda fisije:

23892U + 21D → 23893Np + 210n;

23893Np → 23894Pu

β-raspad

U ovom procesu, deuteron ulazi u uranijum-238, što rezultira stvaranjem neptunija-238 i dva neutrona. Neptunijum-238 se zatim spontano fisije, emitujući beta-minus čestice koje formiraju plutonijum-238.

Tipično, sadržaj 239Pu u mješavini je 90-95%, 240Pu je 1-7%, sadržaj ostalih izotopa ne prelazi desetine procenta. Izotopi sa dugim poluraspadom - 242Pu i 244Pu dobijaju se produženim zračenjem sa 239Pu neutronima. Štaviše, prinos 242Pu je nekoliko desetina procenata, a 244Pu je delić procenta sadržaja 242Pu. Male količine izotopski čistog plutonijuma-238 nastaju kada se neptunijum-237 ozrači neutronima. Laki izotopi plutonijuma masenih brojeva 232-237 obično se dobijaju u ciklotronu zračenjem izotopa uranijuma α-česticama.

Druga metoda industrijske proizvodnje 239Pu koristi Purex proces, baziran na ekstrakciji tributil fosfatom u laganom razblaživaču. U prvom ciklusu, Pu i U se zajednički pročišćavaju od fisionih produkata, a zatim odvajaju. U drugom i trećem ciklusu plutonijum se dalje pročišćava i koncentriše. Šema takvog procesa zasniva se na razlici u svojstvima tetra- i heksavalentnih spojeva elemenata koji se odvajaju.

U početku se demontiraju šipke istrošenog goriva, a obloga koja sadrži istrošeni plutonijum i uranijum se uklanja fizičkim i hemijskim sredstvima. Zatim se ekstrahirano nuklearno gorivo otapa u dušičnoj kiselini. Na kraju krajeva, to je snažno oksidacijsko sredstvo kada se otopi, a uran, plutonij i nečistoće se oksidiraju. Atomi plutonijuma sa nultom valentnošću se pretvaraju u Pu+6, a plutonijum i uranijum se rastvaraju. Iz takvog rastvora devedeset četvrti element se redukuje u trovalentno stanje sumpordioksidom, a zatim precipitira sa lantan fluoridom (LaF3).

Međutim, osim plutonijuma, sediment sadrži neptunijum i elemente retkih zemalja, ali glavnina (uranijum) ostaje u rastvoru. Zatim se plutonijum ponovo oksidira u Pu+6 i ponovo se dodaje lantan fluorid. Sada se retki zemni elementi talože, a plutonijum ostaje u rastvoru. Zatim se neptunijum oksidira do tetravalentnog stanja sa kalijevim bromatom, pošto ovaj reagens nema efekta na plutonijum, zatim pri sekundarnom taloženju sa istim lantanskim fluoridom trovalentni plutonijum prelazi u talog, a neptunijum ostaje u rastvoru. Krajnji produkti takvih operacija su spojevi koji sadrže plutonij - PuO2 dioksid ili fluoridi (PuF3 ili PuF4), iz kojih se dobiva metalni plutonij (redukcijom s parama barija, kalcija ili litijuma).

Čistiji plutonijum se može postići elektrolitičkim rafiniranjem pirokemijski proizvedenog metala, koje se vrši u ćelijama za elektrolizu na 700°C sa elektrolitom od kalijuma, natrijuma i plutonijum hlorida pomoću katode od volframa ili tantala. Ovako dobijeni plutonijum ima čistoću od 99,99%.

Za proizvodnju velikih količina plutonijuma grade se reaktori za razmnožavanje, takozvani “breederi” (od engleskog glagola uzgajati - razmnožavati). Ovi reaktori su dobili ime zbog svoje sposobnosti da proizvedu fisioni materijal u količinama koje premašuju cijenu dobivanja ovog materijala. Razlika između reaktora ovog tipa i drugih je u tome što se neutroni u njima ne usporavaju (nema moderatora npr. grafita) kako bi što više njih reagovalo sa 238U.

Nakon reakcije nastaju atomi 239U, koji potom formiraju 239Pu. Jezgro takvog reaktora, koje sadrži PuO2 u osiromašenom uran-dioksidu (UO2), okruženo je omotačem od još više osiromašenog uran-dioksida-238 (238UO2), u kojem nastaje 239Pu. Kombinovana upotreba 238U i 235U omogućava "uzgajivačima" da proizvedu 50-60 puta više energije iz prirodnog uranijuma nego drugi reaktori. Međutim, ovi reaktori imaju veliki nedostatak - gorivne šipke moraju biti hlađene drugim medijem osim vode, što smanjuje njihovu energiju. Stoga je odlučeno da se tečni natrijum koristi kao rashladno sredstvo.

Izgradnja ovakvih reaktora u Sjedinjenim Američkim Državama započela je nakon završetka Drugog svjetskog rata, SSSR i Velika Britanija su počeli s izgradnjom tek 1950-ih.

Fizička svojstva

Plutonijum je veoma težak (gustina na normalnom nivou 19,84 g/cm³) srebrnast metal, u pročišćenom stanju veoma sličan niklu, ali na vazduhu plutonijum brzo oksidira, bledi, formirajući prelivajući film, prvo svetlo žut, a zatim tamnoljubičasti . Kada dođe do teške oksidacije, na površini metala pojavljuje se maslinasto zeleni oksidni prah (PuO2).

Plutonijum je visoko elektronegativan i reaktivan metal, mnogo puta više čak i od uranijuma. Ima sedam alotropskih modifikacija (α, β, γ, δ, δ", ε i ζ), koje se menjaju u određenom temperaturnom opsegu i na određenom opsegu pritiska. Na sobnoj temperaturi plutonijum je u α-formi - to je najčešća alotropska modifikacija plutonijuma U alfa fazi, čisti plutonijum je krhak i prilično tvrd - ova struktura je tvrda otprilike kao sivi liveni gvožđe osim ako nije legirana sa drugim metalima, što će leguri dati duktilnost i mekoću. u ovom obliku najveće gustine, plutonijum je šesti element po gustoći (Samo osmijum, iridijum, platina, renijum i neptunijum su teži. Dalje alotropske transformacije plutonijuma su praćene naglim promenama gustine. Na primer, kada se zagreje od 310°C do 480°C , ne širi se, kao drugi metali, već se skuplja (delta faze" i "delta prime"). Kada se otopi (prijelaz iz epsilon faze u tečnu fazu), plutonijum se također skuplja, omogućavajući neotopljenom plutoniju da pluta.

Plutonijum ima veliki broj neobičnih svojstava: ima najnižu toplotnu provodljivost od svih metala - na 300 K iznosi 6,7 W/(m K); plutonijum ima najnižu električnu provodljivost; U svojoj tečnoj fazi, plutonijum je najviskozniji metal. Otpornost devedeset četvrtog elementa na sobnoj temperaturi je vrlo visoka za metal, a ova karakteristika će se povećavati sa smanjenjem temperature, što nije tipično za metale. Ova "anomalija" može se pratiti do temperature od 100 K - ispod ove oznake električni otpor će se smanjiti. Međutim, od 20 K otpor počinje ponovo rasti zbog radijacijske aktivnosti metala.

Plutonijum ima najveću električnu otpornost od svih proučavanih aktinida (do sada), koja iznosi 150 μΩ cm (na 22 °C). Ovaj metal ima nisku tačku topljenja (640 °C) i neobično visoku tačku ključanja (3.227 °C). Bliže tački topljenja, tečni plutonijum ima veoma visok viskozitet i površinsku napetost u poređenju sa drugim metalima.

Zbog svoje radioaktivnosti, plutonijum je topao na dodir. Veliki komad plutonijuma u termalnoj ljusci zagreva se na temperaturu koja prelazi tačku ključanja vode! Osim toga, zbog svoje radioaktivnosti, plutonij s vremenom prolazi kroz promjene u svojoj kristalnoj rešetki - dolazi do svojevrsnog žarenja zbog samozračenja zbog porasta temperature iznad 100 K.

Prisustvo velikog broja alotropnih modifikacija u plutonijumu čini ga teškim za obradu i razvlačenje zbog faznih prelaza. Već znamo da je u alfa obliku devedeset četvrti element po svojstvima sličan livenom gvožđu, međutim, on ima tendenciju da se promeni i pretvori u duktilni materijal, i formira savitljiv β-oblik na višim temperaturnim rasponima. Plutonijum u δ obliku je obično stabilan na temperaturama između 310 °C i 452 °C, ali može postojati i na sobnoj temperaturi ako je dopiran niskim procentima aluminijuma, cerijuma ili galija. Kada je legiran sa ovim metalima, plutonijum se može koristiti za zavarivanje. Općenito, delta oblik ima izraženije karakteristike metala - blizak je aluminijumu po čvrstoći i kovanju.

Hemijska svojstva

Hemijska svojstva devedeset četvrtog elementa su na mnogo načina slična svojstvima njegovih prethodnika u periodnom sistemu - uranijuma i neptunija. Plutonijum je prilično aktivan metal; formira spojeve sa oksidacionim stanjima od +2 do +7. U vodenim rastvorima element pokazuje sledeća oksidaciona stanja: Pu (III), kao Pu3+ (postoji u kiselim vodenim rastvorima, ima svetlo ljubičastu boju); Pu (IV), kao Pu4+ (čokoladna nijansa); Pu (V), kao PuO2+ (laki rastvor); Pu (VI), kao PuO22+ (svetlonarandžasti rastvor) i Pu(VII), kao PuO53- (zeleni rastvor).

Štaviše, ovi joni (osim PuO53-) mogu istovremeno biti u ravnoteži u rastvoru, što se objašnjava prisustvom 5f elektrona, koji se nalaze u lokalizovanoj i delokalizovanoj zoni elektronske orbitale. Pri pH 5-8 dominira Pu(IV), koji je najstabilniji među ostalim valencijama (oksidaciona stanja). Ioni plutonijuma svih oksidacionih stanja skloni su hidrolizi i formiranju kompleksa. Sposobnost stvaranja takvih spojeva se povećava u Pu5+ seriji

Kompaktni plutonijum polako oksidira na vazduhu, prekrivajući se prelivom, uljnom oksidnom folijom. Poznati su oksidi plutonijuma: PuO, Pu2O3, PuO2 i faza promenljivog sastava Pu2O3 - Pu4O7 (Bertolidi). U prisustvu male količine vlage, brzina oksidacije i korozije se značajno povećava. Ako je metal dovoljno dugo izložen malim količinama vlažnog zraka, na njegovoj površini nastaje plutonij dioksid (PuO2). Uz nedostatak kisika, može se formirati i njegov dihidrid (PuH2). Iznenađujuće, plutonijum rđa mnogo brže u atmosferi inertnog gasa (kao što je argon) sa vodenom parom nego u suvom vazduhu ili čistom kiseoniku. Zapravo, ovu činjenicu je lako objasniti - direktnim djelovanjem kisika na površini plutonija formira se sloj oksida koji sprječava daljnju oksidaciju; prisutnost vlage stvara labavu mješavinu oksida i hidrida. Inače, zahvaljujući ovoj prevlaci, metal postaje piroforan, odnosno sposoban je za spontano izgaranje, zbog čega se metalni plutonij obično obrađuje u inertnoj atmosferi argona ili dušika. U isto vrijeme, kisik je zaštitna tvar i sprječava da vlaga utječe na metal.

Devedeset četvrti element reaguje sa kiselinama, kiseonikom i njihovim parama, ali ne i sa alkalijama. Plutonijum je visoko rastvorljiv samo u veoma kiselim medijima (na primer, hlorovodonična kiselina HCl), a rastvorljiv je i u hlorovodoniku, jodidu vodonika, bromovodoniku, 72% perhlornoj kiselini, 85% ortofosfornoj kiselini H3PO4, koncentrovanoj CCl3COOH, sulfaminskoj kiselini i ključanju koncentrovane azotne kiseline. Plutonijum se ne otapa primetno u alkalnim rastvorima.

Kada se rastvori koji sadrže tetravalentni plutonijum izlože alkalijama, taloži se talog plutonijum hidroksida Pu(OH)4 xH2O, koji ima bazna svojstva. Kada su rastvori soli koji sadrže PuO2+ izloženi alkalijama, taloži se amfoterni hidroksid PuO2OH. Odgovaraju soli - plutoniti, na primjer, Na2Pu2O6.

Plutonijumove soli lako hidroliziraju u kontaktu sa neutralnim ili alkalnim rastvorima, stvarajući nerastvorljivi plutonijum hidroksid. Koncentrirane otopine plutonija su nestabilne zbog radiolitičke razgradnje koja dovodi do taloženja.